李凌云，陳 浩，李少偉，謝達(dá)承，王 強

(1.青海交通投資有限公司,青海 西寧 810003；2.北京恒達(dá)交安科技發(fā)展有限公司，北京 102200；3.中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100089)

0 引言

避險車道一直以來是長大下坡路段行車安全的重要防護(hù)手段，現(xiàn)階段我國長大下坡路段避險車道多采用碎石制動床避險車道，通過制動床的碎石填料增加失控車輛行駛阻力，從而使駛?cè)氡茈U車道的車輛減速直至停車。按照我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，碎石避險車道的設(shè)置長度主要受失控車輛駛?cè)氡茈U車道時的車速、制動床坡度、車輛滾動摩阻系數(shù)的影響，當(dāng)車速在100 km/h、車輛滾動摩阻系數(shù)在0.25、坡度在3°～5°時，一般避險車道的設(shè)計長度在120 m以上[1]。然而，避險車道的設(shè)置長度受地形條件、環(huán)境條件的限制，容易出現(xiàn)設(shè)置空間不足、碎石填料板結(jié)而摩擦系數(shù)降低等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致避險車道減速能力下降。

近年來，通過增加輔助減速措施提升避險車道減速效果已在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行了部分研究與嘗試[2]，但仍存在較大的研究空間，如阻尼器技術(shù)突破[3-18]?；诖?，本研究提出了一種基于異型鋼結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)動態(tài)吸能阻尼器，通過優(yōu)化阻尼器結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同條件下的阻尼需求，并通過模型試驗對其阻尼性能進(jìn)行研究，在提高阻尼效果的同時，使其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)合理，并具有工程可操作性。

1 動態(tài)吸能阻尼器設(shè)計

動態(tài)吸能阻尼器由吸能板和切割軸組成，其工作原理為：當(dāng)失控車輛輸入避險車道時，車體通過鋼絲繩帶動避險車道阻尼器中的切割軸滑動，通過切割軸的滑動使吸能板吸能孔撕裂，從而達(dá)到吸能的效果。為了研究不同吸能孔對動態(tài)吸能效果的影響，本研究采用20 mm厚Q235鋼板為基礎(chǔ)材料，設(shè)計了2種異性鋼結(jié)構(gòu)的阻尼器，一種為竹節(jié)形阻尼器，見圖1；另一種為矩形阻尼器，見圖2。其中，竹節(jié)形阻尼器每個吸能孔長度為40 mm，按照間距 3 mm 均布；矩形阻尼器每個吸能孔50 mm，按照間距5 mm 均布。

圖1 竹節(jié)形阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)

圖2 矩形尼器結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)

2 模型試驗分析

2.1 試驗方案

本研究以車重50 t、運行速度為100 km/h的失控車輛作為防護(hù)目標(biāo)，阻尼器沿避險車道制動床雙側(cè)布設(shè)，則單側(cè)阻尼器需提供的吸能阻力約為125 kN。本試驗中，阻尼器中安裝4片吸能板，每片長度6 m，吸能板材質(zhì)為3 mm厚Q235，切割軸材質(zhì)40cr，φ30 mm，采用自重為17 t的裝載機以約30 km/h 的運行速度對阻尼器的輸出阻尼器的大小、吸能板的變形形態(tài)和阻尼器的穩(wěn)定性等進(jìn)行驗證，試驗中所用鋼絲繩為φ30，3×37類纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩抗拉強度1 770 MPa，鋼絲繩破斷拉力為476 kN，阻尼器模型試驗平面圖如圖3所示。

圖3 阻尼器模型試驗平面示意圖(單位:mm)

2.2 模型試驗分析

(1)竹節(jié)形阻尼器試驗結(jié)果

竹節(jié)形阻尼器孔長40 mm，節(jié)寬3 mm。試驗過程中，吸能板按預(yù)定方向變形，變形方向與設(shè)定情況一致。本次試驗吸能板撕裂長度為3.1 m，其中有效長度為3.0 m。整體試驗結(jié)果如表1所示。

表1 竹節(jié)形阻尼器試驗結(jié)果

由表1可知，在上述試驗條件下，經(jīng)與試驗前阻尼器(如圖4所示)對比可知，阻尼器外殼無明顯變形，切割軸試驗后軸磨損嚴(yán)重，有彎曲變形，但整體結(jié)構(gòu)仍較為完好(如圖5所示)，試驗中鋼絲繩無破損，說明竹節(jié)形阻尼器結(jié)構(gòu)合理。

圖4 試驗前的竹節(jié)形阻尼器

圖5 試驗后的竹節(jié)形阻尼器

竹節(jié)形阻尼器在吸能板過程中，最大拉力為221.5 kN，平均拉力為112.3 kN，破壞時間0.8 s，有效破壞長度為3.0 m，拉力變化圖如圖6所示。

圖6 竹節(jié)形阻尼器拉力變化圖

假設(shè)試驗過程中切割軸做勻減速運動，當(dāng)阻尼器撕裂長度為3.0 m，用時0.8 s，裝載機初始動能Ep為470 kJ時，則竹節(jié)形阻尼器的平均吸能阻力可達(dá)到112.3 kJ/m，通過調(diào)整阻尼器吸能裝置組合，可以達(dá)到避險車道的防護(hù)目標(biāo)。

(2)矩形阻尼器試驗結(jié)果

矩形阻尼器孔長50 mm，節(jié)寬5 mm。試驗結(jié)果表明：吸能板按預(yù)定方向變形，變形方向基本與設(shè)定情況一致，但起始段變形不規(guī)則。本次試驗吸能板撕裂長度為2.93 m，其中有效長度為2.83 m。整體試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在上述試驗條件下，經(jīng)與試驗前阻尼器(如圖7所示)對比可知，阻尼器外殼無明顯變形，吸能孔向著設(shè)定方向撕裂變形吸能，切割軸試驗后軸磨損嚴(yán)重，但整體結(jié)構(gòu)仍較為完好(如圖8所示)，試驗中鋼絲繩無破損。

圖7 試驗前的矩形阻尼器

圖8 試驗后的矩形阻尼器

表2 矩形阻尼器試驗結(jié)果

矩形阻尼器在吸能板過程中，最大拉力為224.6 kN，平均拉力為119.7 kN，破壞時間0.9 s，有效破壞長度為2.83 m，拉力變化圖如圖9所示。

圖9 矩形阻尼器拉力變化圖

同竹節(jié)形試驗假設(shè)條件相同，假設(shè)試驗過程中切割軸做勻減速運動，當(dāng)阻尼器撕裂長度為2.83 m，用時0.9 s，裝載機初始動能Ep為327 kJ時，則矩形阻尼器的平均吸能阻力可達(dá)到119.7 kJ/m。通過調(diào)整阻尼器吸能裝置組合，可以達(dá)到避險車道的防護(hù)目標(biāo)。

將試驗1與試驗2結(jié)果進(jìn)行對比可知，竹節(jié)形和矩形阻尼器均具有較好的吸能效果，因此，在實際工程中均可做為阻尼避險車道的吸能裝置，可根據(jù)實際情況進(jìn)行選取。

3 結(jié)論

(1)竹節(jié)形阻尼器及矩形阻尼器在模型試驗中整體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，試驗中阻尼器外殼用鋼板厚度為20 mm，實際工程中可通過增加阻尼器長度或采用槽鋼桁架結(jié)構(gòu)來適當(dāng)降低阻尼器外殼鋼板厚度。

(2)4塊竹節(jié)孔吸能板阻尼力平均值為 112.3 kN，最大值為221.5 kN；4塊矩形孔吸能板阻尼力平均值為119.7 kN，最大值為224.6 kN；矩形孔吸能板的平均阻尼力119.7 kN較竹節(jié)孔吸能板接近目標(biāo)阻尼力120 kN，試驗中切割軸雖有磨損和變形，但體理結(jié)構(gòu)較為完整，結(jié)構(gòu)合理。

(3)采用合理的異形鋼結(jié)構(gòu)的動態(tài)吸能阻尼器能夠提供較好的阻尼力，為阻尼避險車道的設(shè)計提供基礎(chǔ)條件。

(4)本研究所述的研究成果可以為未來避險車道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供較好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提高避險車道的減速效果，并提升對環(huán)境和空間的適用性。